Instytut Silników Spalinowych i Transportu Wydział Maszyn Roboczych i Transportu Politechnika Poznańska
RECENZJA
rozprawy doktorskiej mgr. inż. Arkadiusza Stojeckiego
pt. „Badania wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin samochodów osobowych”
(promotor: prof. dr hab. inż. Jerzy Merkisz)
Podstawa opracowania:
Zlecenie Dziekana Wydziału Maszyn Roboczych i Transportu Politechniki Poznańskiej
Nr DR-63/472/02/2015 z dnia 25.03.2015 r.
1. OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA ROZPRAWY
Od kilkunastu lat na świecie, a w tym i w Polsce, obserwuje się intensywne działania prawne, organizacyjne, naukowe i techniczne związane ze zmniejszeniem negatywnego oddziaływania środków transportu na środowisko naturalne człowieka. W dziedzinie tej odnotowane są też istotne, pozytywne skutki tych działań, co przekłada się korzystnie na stan ochrony naszego środowiska. Działanie takie obserwuje się również w odniesieniu do środków transportu, a szczególnie do stosowanych w nim silników spalinowych. Udział tego rodzaju silników w transporcie pozostaje znaczący, a negatywny wpływ samochodów osobowych na środowisko w przewozach pasażerskich plasuje się na pierwszym miejscu.
Można oszacować, że obecnie około 1 mld pojazdów poruszających się po drogach świata zużywa 5 ton paliwa w ciągu sekundy (co można przełożyć na 15 t emitowanego dwutlenku węgla w każdej sekundzie). Rozwój transportu uwzględnia obowiązujące i stale zaostrzające się normy emisji spalin i związane z nimi sposoby badań pojazdów osobowych. Nic więc dziwnego, że stają się nadzwyczaj użyteczne opracowania naukowe, których celem jest określenie szczegółowych warunków technicznych prowadzenia takich badań oraz działań organizacyjnych efektywniej wykorzystujących ich wyniki w celu ograniczania negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko naturalne człowieka.
Doktorant, mgr inż. Arkadiusz Stojecki podjął w pracy właśnie taki temat, stawiając sobie za jej cel wyznaczenie wpływu zmiennej topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin w odniesieniu do pojazdów osobowych. Jak zaznaczył Doktorant w swojej pracy – zagadnienie takie nie było podejmowane w badaniach innych Autorów, a zagadnienia pomiarów emisji zanieczyszczeń nie uwzględniały takiego parametru, lub wpływ ukształtowania terenu był marginalizowany.
Rozprawa liczy 132 strony tekstu (z pojedynczym odstępem między wierszami) obejmującego 7 rozdziałów, wykaz symboli oraz spis literatury zawierający 101 pozycji.
Należy zaznaczyć, że większość pozycji jest aktualna, z czego sześć publikacji jest współautorstwa Doktoranta.
We wstępie i ogólnej charakterystyce rozprawy Doktorant wprowadza w jej obszar tematyczny, opisując procesy wymuszające potrzebę rozwoju badań cech ekologicznych w pojazdach samochodowych i dokonuje sformułowania ogólnego jej zakresu.
W rozdziale drugim dysertacji kompetentnie i wyczerpująco Doktorant przedstawił przegląd literaturowy dotyczący zagadnień ochrony środowiska w transporcie samochodowym. Przytoczył w nim, m.in. obszary Europy oraz główne miasta, które najbardziej były narażone w ostatnich latach na zwiększone stężenie dwutlenku azotu, cząstek stałych PM10 i PM2,5, jednocześnie podając podobne dane dla terenu Polski.
Scharakteryzował również wpływ poszczególnych sektorów gospodarki na zanieczyszczenie powietrza, z którego wynika, że największy udział transport drogowy ma w emisji tlenków azotu (33%), pozostałe związki mają udział co najmniej o 10 punktów procentowych mniejszy (tlenek węgla – 23%, węglowodory – 23%, cząstki stałe 18%). Ważność podjęcia tematu została w tym rozdziale podniesiona ponownie, gdyż Autor przytacza dane dotyczące liczby pojazdów w Polsce w roku 2012 (ponad 24 mln pojazdów) oraz 75-procentowy udział w niej samochodów osobowych (ponad 18 mln), a tych ostatnich dotyczy główny nurt pracy doktorskiej.
W rozdziale trzecim Doktorant zamieścił analizę dotyczącą wpływu zróżnicowanych warunków topografii terenu na energochłonność pojazdu wyrażoną oporami jego ruchu.
Doktorant stwierdza, że dotychczasowe badania energochłonności pojazdów odnoszą się do terenów płaskich, i jedynie takie są odzwierciedlane w testach laboratoryjnych. W rozdziale dokonano analizy oporów jazdy pojazdu (oporu toczenia, oporu wzniesienia oraz oporu powietrza) dla ustalonych warunków ruchu (przy pominięciu oporu bezwładności). Przy znajomości danych dotyczących przeniesienia napędu Autor dysertacji wyznaczył warunki pracy układu napędowego (dla jednostki zasilanej benzyną i olejem napędowym) o
zróżnicowanych parametrach jednostek napędowych. Po wyznaczeniu m.in. charakterystyk mocy oporów, określił maksymalne prędkości jazdy dla różnych warunków topograficznych (określanych wielkością wzniesienia) oraz nadwyżki mocy na kołach, w efekcie wyznaczając warunki pracy takich silników w różnych warunkach jazdy.
W rozdziale czwartym Doktorant przedstawił problematykę rozprawy i jej zakresu realizacji, jednocześnie nie formułując jasno tezy pracy. Głównym celem pracy była – szczegółowo przywoływana już – ocena wpływu topografii terenu na emisję drogową zanieczyszczeń z samochodów osobowych napędzanych silnikami spalinowymi. Osiągnięcie tego celu jest odzwierciedlone układem dalszych rozdziałów i doborem treści rozprawy.
Doktorant wykonał badania dotyczące tematyki rozprawy dwuetapowo: na hamowni podwoziowej – w teście homologacyjnym (dla różnych wartości symulowanego pochylenia hamowni) oraz w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego w terenie o zróżnicowanym ukształtowaniu wzdłużnym terenu.
W rozdziale piątym przedstawiono metodykę badań. Opisano tu zastosowane w rozprawie sposoby określania negatywnego oddziaływania pojazdów na środowisko. Sposoby te stanowią dwie grupy działań badawczych: w odniesieniu do obowiązujących testów homologacyjnych, odbywających się w ściśle określonych warunkach pomiarowych oraz – co jest wkładem Autora – w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego, w zmiennych warunkach topograficznych. Scharakteryzowano również obiekty badań (wykorzystywane do badań pojazdy z silnikami o zapłonie iskrowym i samoczynnym), a także stosowaną aparaturę pomiarową wykorzystywaną do badań homologacyjnych na hamowni podwoziowej oraz urządzenia wykorzystywane jako mobilne laboratorium pomiarowe.
W rozdziale szóstym przedstawiono wybrane wyniki pomiarów emisji zanieczyszczeń z pojazdów, które przeprowadzono zgodnie z ustalonym harmonogramem. Ta część pracy polegała na ocenie emisji zanieczyszczeń z pojazdów zasilanych olejem napędowym i benzyną. W pierwszym etapie dokonano badań na hamowni podwoziowej w homologacyjnym teście europejskim dla różnych nastaw symulowanego pochylenia tejże hamowni. Drugi etap dotyczył badań w rzeczywistych warunkach ruchu drogowego tych samych obiektów badawczych, gdzie wykorzystując mobilny system pomiarów związków szkodliwych, dokonano pomiaru natężenia emisji zanieczyszczeń z samochodów osobowych w warunkach zmiennego ukształtowania terenu. Przydatność prowadzonych analiz zilustrowano licznymi przykładami, dokonując przy tym porównania wyników i wskazując na występujące, z reguły dość znaczne różnice Wykonane badania podzielono na kilka płaszczyzn, z których jednoznacznie wynika, że w testach emisji spalin prowadzonych w
terenie płaskim uzyskuje się znacznie mniejszą emisję zanieczyszczeń, niż wynikałoby ona z warunków użytkowania pojazdów w zróżnicowanej topografii terenu. Metodyka badań jest unikatowa w warunkach zarówno krajowych, jak i zagranicznych i wymaga szczególnego podkreślenia, co pozwala uznać Doktoranta za specjalistę w tej dziedzinie.
W zakończeniu przedstawiono podsumowanie rozprawy, zestawiono wynikające z niej liczne wnioski i wskazano na osiągnięcie celu rozprawy. Wnioski odnoszą się głównie do aspektów ekologicznych związanych z emisji zanieczyszczeń z badanych pojazdów w różnych warunkach pochylenia terenu, jednak część z nich ma charakter uniwersalny i może znaleźć zastosowanie także dla innych pojazdów. Sformułowane wnioski mają charakter aplikacyjny i mogą być wykorzystane np. podczas ostatecznej kalibracji jednostek napędowych pojazdów. Podano tu również kierunki dalszych prac, jakie są możliwe dla uzupełnienia zagadnień ujętych w rozprawie.
2. OCENA ROZPRAWY 2.1. Uwagi ogólne
Pod względem merytorycznym i metodycznym pracę oceniam wysoko, gdyż ogólnie odpowiada postawionemu celowi i jest dostosowana do obowiązujących w tym zakresie wymogów. Układ logiczny treści rozprawy jest przejrzysty, a prezentowane treści są ze sobą dobrze powiązane z konsekwentnie przestrzeganym układem rozpatrywanych zagadnień.
Autor dokonał wyjątkowo szerokiej prezentacji wyników swych rozważań, dokładnie i kompetentnie (a wielu fragmentach wręcz drobiazgowo) opisał przeprowadzane badania oraz umiejętnie nadał ich wynikom charakter danych, przydatnych dla praktyki rozwoju samochodów osobowych w aspekcie emisji zanieczyszczeń.
Wnioski z przeprowadzonych analiz i badań na obiektach rzeczywistych są sformułowane trafnie i adekwatnie do ich zakresu i charakteru. Całość pracy cechuje staranna jej redakcja i bardzo dobry styl pisarstwa. W zakresie omawianych zagadnień występują akcenty praktyczne wywodzące się z dobrego rozeznania Autora w zakresie rozpatrywanej problematyki.
Najważniejsze osiągnięcia pracy to:
1. Sformułowanie ciekawego, dotychczas niezbadanego i nie opisanego w literaturze problemu oceny wpływu topografii terenu na emisję zanieczyszczeń z samochodów osobowych.
2. Zastosowanie oryginalnej metodyki tworzenia i oceny badań samochodów osobowych do wyznaczania ich wskaźników i charakterystyk emisji spalin.
3. Zaimplementowanie zintegrowanej aparatury pomiarowej do badania parametrów emisji spalin samochodów osobowych w rzeczywistych warunkach ich użytkowania.
4. Opracowanie metodyki wyznaczania energochłonności pojazdu związanej z oporami ruchu i ukształtowaniem terenu i uzyskanie z jej zastosowaniem oryginalnych charakterystyk pracy silników spalinowych w terenie o zróżnicowanym nachyleniu wzdłużnym drogi.
5. Dokonanie oryginalnej analizy emisji zanieczyszczeń w badaniach na hamowni podwoziowej i wykorzystanie jej wyników do przeprowadzenia testów drogowych w terenie płaskim i górzystym.
6. Przeprowadzenie badań wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin i określenie ilościowych zależności tej emisji w zależności od nachylenia terenu dla pojazdów poruszających się w terenie płaskim (o nachyleniu do 5%) oraz w terenie górzystym (o nachyleniu do 30%).
7. Bardzo staranne i przejrzyste wykonanie pracy. Poprawny język techniczny i konsekwencja w stosowanej terminologii.
Budzi jednak pewien niedosyt lub zastrzeżenia kilka fragmentów rozprawy, które nie obniżają mojej ogólnej, bardzo pozytywnej oceny wszystkich aspektów pracy (wyboru tematu, uzasadnienia, analiz, przeprowadzonych badań, wnioskowania, itp.). Zostały one przytoczone poniżej:
1. We wprowadzeniu i w pierwszych rozdziałach pracy Autor nie podaje dokładnie przyczyn podjęcia tematu oceny emisji zanieczyszczeń w zróżnicowanych warunkach topograficznych, pisząc jedynie, że nie był on pomijany, nie podając przyczyny takiego stanu rzeczy. Również nie wiadomo, dlaczego Doktorant zajął się np. tylko samochodami osobowymi (a raczej tylko dużymi pojazdami osobowymi – vanami). Czy przesłanki pominięcia w rozważaniach pojazdów ciężarowych, które również poruszają się po drogach górskich mają swoje uzasadnienie?
2. Dlaczego w rozdziale drugim – w rozważaniach energochłonności pojazdu związanej z oporami ruchu – został pominięty opór bezwładności. Jest to składowa oporów, która występuje podczas przyspieszania, a należy stwierdzić, że w warunkach drogowych o znacznym zróżnicowaniu terenu ta cecha będzie występowała najczęściej.
Przeprowadzone badania emisji zanieczyszczeń w rzeczywistych warunkach ruchu już tę cechę uwzględniały.
3. Metodyka pracy została podzielona prze Doktoranta na badania emisji zanieczyszczeń z pojazdów na hamowni podwoziowej i w rzeczywistych warunkach ruchu. O ile druga część badań została bardzo skrupulatnie udokumentowana (44 strony), to pierwsza część – wykonywana na hamowni podwoziowej – znalazła odzwierciedlenie w 25% (14 stron). Brak jest m.in. wyników cząstkowych badań emisji zanieczyszczeń dla pojazdów z silnikami ZI. Ograniczono się tutaj jedynie do przedstawienia wyników badań – w sensie sprawozdawczym. Szersza analiza pozwoliłaby uwidocznić przyczyny różnic w emisji szkodliwych związków spalin.
4. Brak dokładnego omówienia, w jaki sposób symulowano nachylenie hamowni podwoziowej podczas wykonywania testu homologacyjnego. Czy zmiana polegała na ustalaniu innych współczynników regulacji stanowiska dynamometrycznego, jeśli tak to jakie były ich wartości dla różnych etapów symulacji?
5. Brak analizy dokładności wyników pomiarów. Autor nie odnosi się krytycznie do uzyskanych wyników. Brak również opisu, czy wyniki badań uzyskano w tylko w jednym cyklu badań, czy jest to średnia z większej liczby badań. Nie podano również w jakich warunkach badania były wykonane, np. brak informacji o natężeniu ruchu, o dniu tygodnia, o czasie badań. Zagadnienia te, mogą – jednakże nie stwierdzono tego w pracy – warunkować otrzymane wyniki.
6. W pracy nie dokonano krytycznej analizy wykonanych badań emisji zanieczyszczeń w aspekcie porównania wyników na hamowni podwoziowej i w rzeczywistych warunkach ruchu. W wielu miejscach pracy nie skomentowano uzyskanych zależności, podając jedynie krotność zwiększenia lub zmniejszenia rozpatrywanej wielkości.
2.2. Uwagi szczegółowe
Rozprawa jest wyjątkowo starannie opracowana pod względem redakcyjnym. Zwraca uwagę ogólnie poprawny zapis jednostek miar i bardzo dobra czytelność zamieszczonych (w dużej liczbie) rysunków. Terminologia stosowana w pracy jest ogólnie poprawna i konsekwentnie przestrzegana. Uwagi szczegółowe, przedyskutowano z Doktorantem, jednakże ważniejsze zostały wymienione poniżej:
s. 7: powtarzanie tych samych informacji (akapit 1 i 3 „ograniczanie emisji zanieczyszczeń od lat 70. XX wieku”).
s. 9: brak oznaczenia LZO w spisie ważniejszych symboli.
s. 10: co oznacza stwierdzenie „…w krajach rozwiniętych (Ameryka Północna, Europa)” – to nie są kraje, tylko kontynenty.
s. 14: dane wykorzystane w rozdziale 2 przytoczono dla lat 2011–2012; czy Doktorant nie dotarł do bardziej aktualnych danych?
s. 18: niepoprawnie stosowane określenia, jak „…niższy wynik”, „park samochodów zwiększył się…”.
s. 20: niepoprawne sformułowanie „zmniejszanie pojemności silnika”, powinno być
„zmniejszanie objętości skokowej silnika”.
s. 25 i dalsze: zamiennie stosowanie „pochylenie drogi”, „nachylenie drogi”,
„pochylenie wzdłużne”, „kąt nachylenia drogi”– należałoby ujednolicić.
s. 40: nazwy angielskie pisane kursywą, lecz brak jest konsekwencji w pisaniu małymi i dużymi literami (s. 40 i np. s. 8 – dotyczy tego samego określenia).
s. 42, tablica 5.1: „średnica cylindra × skok”, powinno być „średnica cylindra × skok tłoka”.
s. 71: „masa dwutlenku węgla była proporcjonalne (a) do symulowanego pochylenia drogi”, proporcjonalne mogą być wartości, a nie wielkości fizyczne.
s. 74: zamiennie stosowane słowo fazy i test w stosunku do oznaczenia faz (UDC i EUDC) testu NEDC.
s. 90: zamienne stosowanie pojęć emisja sekundowa i natężenie emisji.
s. 92: w podpisie rysunku 6.56: „stężenie i natężenie masy cząstek stałych”, powinno być stężenie i natężenie emisji masy cząstek stałych.
s. 109: brak indeksu przy pisaniu CO2.
s. 121: w tekstach technicznych nie powinno być pisane [szt/km], a poprawniej jest [1/km] lub [km–1].
3. PODSUMOWANIE
Na podstawie analizy treści stwierdzam, że oceniana praca mieści się w dyscyplinie naukowej transport.
Temat dysertacji jest ważny z punktu widzenia ochrony środowiska naturalnego przed szkodliwym działaniem transportu, a uzyskane wyniki mogą być w przyszłości wykorzystane przy badaniach pojazdów samochodowych. Równocześnie temat rozprawy jest niedostatecznie opisany w literaturze, a sam sposób rozwiązania tematu jest oryginalnym rozwiązaniem Doktoranta i stanowi o niewątpliwej wartości pracy. Zadanie, którego podjął się Autor należy do trudnych, bowiem jego realizacja wymagała zastosowania nowoczesnych technik pomiarowych, wykonania skomplikowanych badań oraz znajomości zagadnień
związanych z pomiarami emisji zanieczyszczeń z pojazdów w różnorodnych warunkach. Z tego powodu podjęcie się tak trudnego zadania przez Doktoranta stanowi cenną wartość pracy.
W rozwiązywaniu zadania Doktorant wykazał się samodzielnością w formułowaniu oryginalnych problemów naukowych i ich rozwiązywaniu oraz umiejętnością prowadzenia unikatowych eksperymentów badawczych. Przeprowadzone rozważania teoretyczne i uzyskane wyniki badań są przekonywujące i w pełni potwierdzają zrealizowanie zadań, które Doktorant sobie postawił.
Pod względem metodologicznym praca jest prawidłowa. Autor potwierdził umiejętność prowadzenia badań i analiz w sposób uporządkowany i metodyczny oraz stosował prawidłowe podejście do interpretacji wyników. Na podkreślenie zasługuje również wysoki poziom redakcyjny i edytorski pracy.
Zawarte w mojej opinii uwagi krytyczne nie wpływają na ogólną pozytywną ocenę pracy.
Należy zaznaczyć równocześnie, że niektóre z uwag mają charakter dyskusyjny, czy wyjaśniający lub stanowią alternatywne podejście do zagadnienia.
W podsumowaniu stwierdzam, że rozprawa mgra inż. Arkadiusza Stojeckiego pt.
„Badania wpływu topografii terenu na emisję związków szkodliwych spalin samochodów osobowych” spełnia wymagania stawiane pracom na stopień doktora nauk technicznych, w rozumieniu art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki. Stawiam zatem wniosek o dopuszczenie mgra inż. Arkadiusza Stojeckiego do publicznej obrony ocenianej dysertacji.
